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September 2012
Dirk Pfaller
Einfluss der Verdrängergeometrie auf die Auslegung von Schraubenspindel-Vakuumpumpen
Im Focus der Veröffentlichung steht die Analyse der Auswirkungen einer veränderlichen Rotorgeometrie der Schraubenspindel-Vakuumpumpe auf die Betriebseigenschaften und die Formulierung von Auslegungskriterien für Rotorgeometrien mit konstanter und variabler Steigung.
Neben der Untersuchung der grundlegenden Zusammenhänge zwischen den Geometrieparametern und dem Arbeitskammervolumen, sowie der Spaltfläche wird zur Analyse der thermodynamischen Auswirkungen der Geometrieveränderung ein Berechnungsansatz entwickelt, der die komplexe Spindelgeometrie mit ihrer typischen hohen Anzahl an Arbeitskammern und Spaltverbindungen durch eine Aneinanderreihung von Pumpstufen und verlustbehafteten Bypässen abstrahiert. Die folgende Verifikation des Berechnungsansatzes mit experimentell ermittelten Saug- und Leistungskennfeldern von drei geometrisch unterschiedlichen Schraubenspindel-Vakuumpumpen bestätigt eine gute Abbildungsgüte des Verfahrens.
Mit dem verifizierten Berechnungsprogramm wird anschließend der Einfluss von sechs unabhängigen Geometrieparametern auf das Saugvermögen und die Verdichtungsleistung berechnet. Die Interpretation der Berechnungsergebnisse im Hinblick auf die Auswirkungen der einzelnen Geometrieparameter wird durch die Analyse des Druckverlaufs entlang der Rotorachse, sowie der einzelnen Spaltmassenströme unterstützt.
Die Kombination der sechs Geometrieparameter zu insgesamt fünf geometriebeschreibenden Kennzahlen gewährleistet die Übertragbarkeit der analysierten geometrischen und thermodynamischen Einflüsse. Abschließend werden die geometrischen Kennzahlen und die analysierten thermodynamischen Einflüsse der isochoren Schraubenspindel-Vakuumpumpe zu Auslegungskriterien zusammengeführt.
Die nach energetischen Prinzipien durchgeführte Optimierung des Steigungsverlaufs basiert auf dem Pareto-Verfahren, mit dem Ziel den Massenstrom zu maximieren bei gleichzeitiger Minimierung der Verdichtungsleistung. Die optimierten Steigungsverläufe weisen entgegen den bereits bekannten im mittleren Bereich der Rotoren eine Zunahme der Steigung auf, die auf den ersten Blick kontraproduktiv wirkt. Mit Hilfe der Analyse des Druckverlaufs und der Spaltmassenströme kann aber nachgewiesen werden, dass es trotz des zunehmenden Arbeitskammervolumens durch die Spaltmassenströme zu keiner Expansion des eingeschlossenen Gases kommt. Die Analyse verdeutlicht vielmehr, dass die energetischen Vorteile aus dem Spannungsfeld der eingeschlossenen Massen in den Stufen und den Verdichtungsverhältnissen zur nächsten Arbeitskammer resultieren.
Um die Güte der optimierten Steigungsverläufe zu bestätigen, wird das über viele Jahre entwickelte und an einer Vielzahl an Rotationsverdrängern verifizierte Simulationsprogramm KaSim eingesetzt. Die Gegenüberstellung der mit beiden Programmen berechneten optimierten Rotorgeometrien, in Form von Saugvermögens- und Leistungskurven, sowie im p-V-Diagramm, bestätigt die energetischen Vorteile der steigungsoptimierten Rotoren. Auf Basis der optimierten Steigungsverläufe für unterschiedliche Stufenzahlen und Ansaugdrücke werden abschließend Auslegungskriterien für die verschiedenen Rotorabschnitte mit veränderlichen Steigungen formuliert.
Mit dem verifizierten Berechnungsprogramm wird anschließend der Einfluss von sechs unabhängigen Geometrieparametern auf das Saugvermögen und die Verdichtungsleistung berechnet. Die Interpretation der Berechnungsergebnisse im Hinblick auf die Auswirkungen der einzelnen Geometrieparameter wird durch die Analyse des Druckverlaufs entlang der Rotorachse, sowie der einzelnen Spaltmassenströme unterstützt.
Die Kombination der sechs Geometrieparameter zu insgesamt fünf geometriebeschreibenden Kennzahlen gewährleistet die Übertragbarkeit der analysierten geometrischen und thermodynamischen Einflüsse. Abschließend werden die geometrischen Kennzahlen und die analysierten thermodynamischen Einflüsse der isochoren Schraubenspindel-Vakuumpumpe zu Auslegungskriterien zusammengeführt.
Die nach energetischen Prinzipien durchgeführte Optimierung des Steigungsverlaufs basiert auf dem Pareto-Verfahren, mit dem Ziel den Massenstrom zu maximieren bei gleichzeitiger Minimierung der Verdichtungsleistung. Die optimierten Steigungsverläufe weisen entgegen den bereits bekannten im mittleren Bereich der Rotoren eine Zunahme der Steigung auf, die auf den ersten Blick kontraproduktiv wirkt. Mit Hilfe der Analyse des Druckverlaufs und der Spaltmassenströme kann aber nachgewiesen werden, dass es trotz des zunehmenden Arbeitskammervolumens durch die Spaltmassenströme zu keiner Expansion des eingeschlossenen Gases kommt. Die Analyse verdeutlicht vielmehr, dass die energetischen Vorteile aus dem Spannungsfeld der eingeschlossenen Massen in den Stufen und den Verdichtungsverhältnissen zur nächsten Arbeitskammer resultieren.
Um die Güte der optimierten Steigungsverläufe zu bestätigen, wird das über viele Jahre entwickelte und an einer Vielzahl an Rotationsverdrängern verifizierte Simulationsprogramm KaSim eingesetzt. Die Gegenüberstellung der mit beiden Programmen berechneten optimierten Rotorgeometrien, in Form von Saugvermögens- und Leistungskurven, sowie im p-V-Diagramm, bestätigt die energetischen Vorteile der steigungsoptimierten Rotoren. Auf Basis der optimierten Steigungsverläufe für unterschiedliche Stufenzahlen und Ansaugdrücke werden abschließend Auslegungskriterien für die verschiedenen Rotorabschnitte mit veränderlichen Steigungen formuliert.
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